时间：2022-05-12 23:51:42
[关键词]高压直流供电技术 应用 前景
中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0051-01
随着社会和我国科技的快速发展，高压直流供电技术的应用也得到了迅猛的发展，高压直流供电技术被广泛地应用到很多领域中。在高压直流供电技术的发展过程中仍然存在很多的制约因素，这些制约因素主要表现在后端设备的适应性、电源系统的定型与量产、配套器件、监控系统等方面，如果想进一步发展高压直流供电技术，就要清除这些限制因素，只有这样才能推动我国高压直流供电技术和整个通信行业的发展。
1.高压直流供电技术概述
1.1 高压直流供电技术简介
高压直流供电指的是采用高压直流电源直接对采用220V交流输入电源的设备供电，采用这种供电技术之后，大大地改善了供电系统的工作效率。随着通信行业的快速发展，这种高压直流供电技术被广泛地应用到了通信行业当中，并且促进了高压直流供电技的发展，因为通信行业中的电源设备的要求在逐渐地提升，特别是互联网数据中心和多媒体数据中心的供电需求表现的更突出。目前，我国通信行业的电源容量的需求很大，已经达到了10000kw，传统的不间断电源系统已经不能满足其供电需求，传统的电源系统逐渐地暴露出了许多问题，比如说工作效率低、高能耗、故障多等。正是由于传统电源系统的诸多问题，所以很多通信公司就把目光投向了高压直流供电系统，这种系统是将将380V的交流输入电源转换为200～400 V的高压直流电，通过并联的整流模块组，接下来再通过高压直流配电设备输送给数据通信设备，并且可以同时给蓄电池组充电，这样就可以保证，当输送电源发生故障的时候，蓄电池组可以继续供电，保证整个系统的正常运转，效率值得肯定。
1.2 高压直流供电技术优点
高压直流供电技术具有很多传统供电电源不具备的优势，首先在使用的可靠性方面，要比传统的不间断供电电源可靠性更强，高压直流供电技术大大地提高了系统的安全性，传统的不间断供电电源组件复杂，可靠性差，相反高压直流电源的组件相对简单，并且具有蓄电池这个部件，保证了在系统发生故障时可以继续补充电源，保证了供电系统正常运转，总体的可靠性要强于传统的供电电源；其次，高压直流供电电源很好节约了能耗，传统的不间断供电系统负载很大，有时候主机不能正常运行。而高压直流电源采用了模块结构，这个系统可以根据输出的负载情况，由监控模块、监控系统或现场值守人员灵活控制模块的开机运行数量，这就很好地保证了系统保持着较高水平的负载率。
2.高压直流供电技术应用现状
2.1 高压直流供电技术的应用情况
目前，在国内对高压直流供电技术的应用主要表现为，中国电信公司在大力的使用和推广这种供电技术，电信公司与电源系统开发商共同研究高压直流电源，这种供电方式已经被广泛地认可，并且已经有很多网点开始使用这种供电电源了。虽然高压直流电源具有多种电压可以选择，但是缺乏后端设备厂商的支持，国内的高压直流供电系统还没有针对后端用电设备进行，然而，供电电压的选择一定要保证整个系统都可以正常运作，所以目前针对高压直流电源达成的共识是选用240V电压进行供电使用，而高压直流供电技术的相关问题也在逐步地解决当中，这些问题解决了，高压直流供电技术就迎来新的发展高潮。
2.2 高压直流供电技术发展的制约因素分析
随着通信行业的发展，对供电电源要求逐渐提高，而高压直流电源就是在这种背景下应运而生，但是高压直流电源的发展并不是那么顺利的，这种供电技术的发展受到了很多因素的制约。第一，后端设备对高压直流供电技术的影响，虽然在很多试用点的使用过程中，高压直流电源能够满足后端设备的电源需求，但是这种电源标准并不是后端设备的标准电源，这样就使得整个系统在运行过程中存在着一定的风险，主要表现在以下方面：首先是技术风险，虽然使用高压直流供电的后端设备很多，但是从高压直流电源试点的运行情况来看，还是存在部分设备不支持高压直流电源，对设备是否支持高压直流电源的检测，必须是通过实际运行才能检测出来，这种检测是需要一定时间的，这就是说在检测结果出来之前都是存在着风险的；其次，法律风险，在使用高压直流电源的过程中，其实是在改变着采购合同约定的运行条件，所以说当后端设备发生故障时，运营商就处在了不利的境地，面临极大的风险考验，并且高压直流电源的使用很可能使合同双方陷入法律纠纷之中；第二，电源系统的定型和量产对高压直流供电技术的制约，由于高压直流供电技术还没有相应的技术标准，这就缺乏了对高压直流电源的技术引导，同时也缺乏使用经验，所以造成了高压直流供电产品没有最终定型，也就更谈不上高压直流供电产品的大量生产和使用了；第三，配套器件对高压直流供电技术发展的制约，在高压直流供电系统中，虽然大部分的器件都是较为常见的，但是存在一些比较罕见的器件，比如说熔断器、断路器等配电保护元件，这些器件是比较紧缺的，再加上高压直流供电的特殊电压要求，对这些器件的要求都是很高的，有些器件都是专用的，所以在市面上都是很罕见的，这些器件对高压直流供电技术的发展造成了很大的障碍；第四，监控系统对高压直流供电技术发展的制约，高压直流供电技术要想大规模地推广就必须纳入动力环境监控系统，开关电源倒是没有什么困难，只是配套的电池组很难实现，因为还没有能够提供专用电池监控的软件系统的供应商。
3.高压直流供电技术的发展前景
中国电信公司在逐步推广能服务器交流电源单元相兼容的240V直流电压，电信公司本着供电安全为第一要务的理念，逐步地实现节能、用电产品兼容性完善的发展目标，在这个过程中中国电信选择了高压直流电源作为设备的供电电源，在2012年电信公司的市场报告中显示，电信公司新增的数据电源市场中，高压直流电源的数量已经超过了传统不间断供电电源，并且电信公司决定在未来的发展中要继续扩大高压直流电源的应用。
同时，各大通信企业，比如腾讯、百度、阿里巴巴、浪潮等，都在大力推动高压直流电源的发展，这些企业考虑要直接采用高压直流电源直接引入定制的服务器，这些企业采用高压直流电源将大大地推动高压直流电源的发展和普及。所以说高压直流电源的未来市场是无限广阔的，高压直流逐渐地替代传统的不间断供电电源是一个必然发展趋势。当然，换句话说通信业在中国将会迎来更辉煌的明天。
4.结语
众所周知，我国的通信行业在快速的发展，发展的过程其实是新事物产生的过程，随着通信业的发展，对通信供电系统的要求就越来越高了，高压直流供电技术就在这种环境下应运而生了，但是高压直流供电技术要想得到推广和使用，就必须克服那些制约它发展的因素，不过从这种技术发展的事态来看，高压直流供电技术将在未来得到广泛地应用，发展前景是极为可观的，换句话说我国未来的通信业会得到更大的发展。
参考文献
[1] 朱雄世.国内外数据通信设备高压直流供电新系统.邮电 设计技术，2009（4）.
【关键词】 数据中心 高压直流系统 应用
一、高压直流系统简介
高压直流系统的组成主要包括了电池组、交流配电屏、直流配电屏、监控等单元以及整流屏。技术原理图如图所示：
在两路市电供电正常时，由高压直流整流模块将交流电转换成高压直流电送至直流配电屏，然后由直流配电屏分配至列头柜，再供电各通信设备，同时对蓄电池进行浮充电。当市电和油机电不正常时，因整流机架停电不工作，这时由蓄电池组放电来维持通信设备的正常运行。待市电或油机正常后，再由高压直流整流屏转换的直流电供电，同时对蓄电池组进行补充电。
在该供电系统中，监控部分会管理、控制该系统，信号经相应的处理后，监控单元会对其进行统一的管理，显示屏上具有人机操作功能，运维工作人员能够管理、监控高压直流供电设备。
二、高压直流系统的性能特点
2.1降低成本，提高效率
与传统的UPS系统相比，高压直流系统将整流逆变环节减少了，不仅大大降低了损耗，工作效率显著提高，这是因为该系统的并机技术相对简单，能够同时并联大量的模块，大大提高了每一模块的利用率，高达七成。而且高压直流系统中不存在静态旁路开关、滤波设备以及DC/AC逆变器，统主机上器件的数量明显降低，能够显著减小设备的成本[2]。
2.2节约能耗
目前使用的UPS主机均为在线双变换型，在负载率大于50%时，其转换效率与开关电源相近。但在实际工程应用中，受后端负载输入的谐波和波峰因数的影响，通常UPS单机的设计最大稳定运行负载率仅为35～45%。而受后端设备业务发展的影响，系统通常在寿命中后期才达到设计负载率，使其长期运行在很低的负载率，其转换效率通常为80%多，甚至更低。
对于高压直流系统而言，因其采用模块化结构，可实际根据后端设备的装机率配置或者控制整流模块的开机运行数量，使模块负载率与转换效率始终保持在较高水平。
2.3提高带载能力
UPS系统带载能力受两个因素的制约，一是负载的功率因数，以国内某大型UPS厂商的某型主机为例，在输出功率因数为0.5（容性）时，其最大允许负载率仅为50%；二是负载的电流峰值系数，通常UPS主机的设计波峰因数为3，如果负载的电流峰值系数大于3，则UPS主机将降容使用。
对于直流系统而言，不存在功率因数的问题；因其并联了内阻极低的大容量蓄电池组，加之整流器模块有大量的富余（充电和备用），其负载高电流峰值系数的负荷能力很强，不需专门考虑安全富余容量。
2.4提高可靠性
UPS供电系统的架构使其系统的总体可靠性低于单个组件的可靠性。而为了解决可靠性不高的问题，须采用多机并联成双总线冗余供电模式，使系统总成本变高，且存在逆变失效、蓄电池组能量不能直接供给负载等问题。
而高压直流供电系统的并联整流模块、蓄电池组均构成了冗余关系，不可靠性是各组件连乘结果，总体可靠性高于单个组件的可靠性。当交流市电停电后，蓄电池组的能量能够直接供给负载使用，在技术上大大提高了供电系统的安全可靠性。
三、高压直流系统的基本条件
要想实现高压直流配电，当具备以下几个基本条件：
1、应当具备专门的高压直流电源系统；
2、服务器PSU能接受高压直流电源供电。现有的交流输入PSU只能够接受一定值的高压直流，直接在现有的服务器PSU上加高压直流电压，只能简单地达到高压直流供电的目的，不够完善，只能将其作为过渡方案。面临的最大挑战是备用单元、路由器以及服务器等一定要具备HVDC输入或者AC/HVDC通用输入。
3、相关的连接器以及接地等应当符合相应的安全标准的要求。
四、高压直流系统的技术合理性
4.1节能效益
IDC机房供电系统中原采用UPS供电，由于并机、双总线冗余系统的使用，分摊到每台UPS的实际带载率都小于50%，UPS的整机效率约88%左右，本工程采用高压直流系统后，效率超过95%。电源转换效率提高7%，而抵消电源设备散热制冷空调电耗也相应减少。
4.2投资效益
以联通在合肥市的分公司为例，该公司相关人员通过对比2套50kW高压直流电源、传统1+1冗余120kVA UPS的建设，结果发现，建设同样的100kW电源系统，高压直流供电系统的成本占优，其投资成本要低66%；机房的占地面积降低了24.22%；而系统的运营成本比传统UPS系统低了16.22%，经统计，每年高压直流系统能够节省26.91万元。
五、高压直流系统的技术可行性
现在通信行业使用交流供电的绝大多数负载均由交流UPS系统供电，然后经过负载自身的整流变换为+12V、+5V等直流电压为本身的电路供电，其输入不管是交流还是直流，最后都要转换为自身电路板使用的低压直流。所以在技术上，负载设备是能够直接接入240V高压直流系统的电能的。
使用交流220V供电的电压范围为180V～240V，因此负载理论上可以承受240V×1.414=339.36V的直流电压；同样标称240V的高压直流系统最高电压约为120×2.35V=282V，远小于339.36V，因此现在的交流负载肯定能够承受高压直流240V供电系统的耐压。
当其由50Hz交流供电时，通过整流二极管的电流为脉动电流，而采用高压直流供电时，通过整流二极管的电流为平滑电流，当整流二极管通过的平均电流一定时，电流脉动成分越大其发热量也大，因此采用高压直流供电的整流器件发热量小，也不会提高其整流部分的故障率。因此240V高压直流系统代替交流UPS系统为使用交流的通信负载供电是可行的。
六、结语
在数据中心中可以完全用高压直流系统来替代UPS供电系统；当然高压直流系统是否能够采用，取决于未来对负载机柜的功率要求是否加大，最主要还取决于各大运营商与服务商的运维能力以及客户的可接受度。
目前高压直流供电系统凭借着自身的优势已被各大运营商、各大互联网基础设施服务提供商以及阿里巴巴、百度、腾讯等电子商务服务商逐步应用于数据中心。而且高压直流系统的构建也符合我国提倡的节能减排理念，为数据中心实现更加节能、高效的目标提供了极大的可能，以便为国家电网的建设提供更好的服务。因此高压直流系统的发展前景还是非常广阔的[4]。
参 考 文 献
关键词：高压直流输电系统；故障分析；线路保护
引言
高压直流输电系统拥有输送电流容量大、功率调节容易、电网互联方便、送电距离远、线路走廊窄等优势，因此在远距离电能传输、分布式能源接入电网、非同步电网互联以及大城市中心区域电缆供电等领域拥有明显的优势[1]，我国也已经成为了直流输电大国，高压直流输电系统一旦出现故障，将会造成较大的经济损失与威胁用户的安全。因此提高高压直流输电系统运行的安全性与可靠性是人们普遍关注的问题，也是急需解决的问题。
1 高压直流输电在大都市受端电网的应用前景
高压直流输电技术与交流输电技术相比较而言，高压直流输电技术不存在系统稳定问题，限制短路电流，调节快速、运行可靠，没有电容充电电流这些问题，因此高压直流输电技术在长距离大容量输电以及电网的互联方面适用性很强。而且就我国目前电网发展的情况来看，中部和东部沿海地区电力消费占80%左右，而我国水能资源主要集中于西部和西南部地区，使中部和东部沿海地区大都市存在远距离、大容量输电以及电网互联等方面的问题[2]，而且在大城市的电网发展中，动态无功不足、短路电流增大、可再生能源发电电源并网运行影响电网运行稳定等问题越来越突出，继续解决高压直流输电凭借其优势能够很好的解决这些问题。现阶段，我国特高压输电技术还不够成熟，而且直流输电可控性高，在隔离故障方面，效果较好，在输电运行管理方面也比特高压输电技术更有优势，采用直流输电解决电网互联问题，可以有效的解决两网之间互相干扰问题，保持两网之间的稳定性。随着高压直流输电技术的不断进步，直流输电系统中换流器价格的下降以及换流站利用效率的不断提高，高压直流输电技术在大都市受端电网的应用前景广阔。
2 目前上海电网直流输电情况
上海电网在我国所有电网中，是最大的城市电网，但是上海电网存在一些问题。2011年在上海南汇风电场建立了柔性直流输电示范工程。500千伏电网是上海电网电力吞吐的主网架，存在电网安全水平有所下降，供电可靠性和供电能力不足，无功功率减少等问题，解决500潜伏电网中存在的问题，将直流输电设备安装在500千伏市内环网与市外受电通道上，使设备两端交流电网短路容量传递被隔断，从而使500千伏电网保持畅通。220千伏电网是上海电网的主要供电网络，存在供电能力不足、动态无功电源容量较小的问题，针对220千伏电网存在的问题，将柔性直流输电设备安装在220千伏分区电网的重要联络通道上，以提高电网的供电能力。上海有崇明、长兴和横沙3座比较大的岛屿以及一些小岛屿，解决上海电网向海上孤岛供电的问题，采用了柔性直流输电技术[3]。
3 造成高压直流线路故障原因分析
3.1 雷击
直流系统的两根极线极性相反，遭遇雷击时，会引起直流线路发生故障。直流被雷击后，电压会在一瞬间急剧升高，此时如果直流线路的绝缘承受不了瞬间急剧升高的电压，直流线路就会出现问题。
3.2 对地闪络
由于直流线路杆塔的绝缘长期受到风吹雨打，霜冻雾化，以及树枝的摩擦，其他污染物的污染，对出现损伤，绝缘功能下降，就容易发生对地闪络现象。直流线路一旦出现对地闪络现象后，直流线路的电压和电流的变化会急剧加快，并且迅速从闪络点向两端的换流站传播，而且电压的突然变化会引起直流线路突然放电，造成线路产生高频的暂态电压和电流。当发生这种情况后应及时如果切除直流电源，因为如果不能及时切除直流电源的话，很难快速解决问题，并且还可能使直流线路产生更大的故障。
3.3 其他原因
由于高压直流线路通常情况下都比较长，线路经过长期的腐蚀或者其他原因，有时会出现线路断线情况，有的时候，高压直流线路贯穿于树枝之间，由于树枝碰撞会出现高阻接地情况，造成高压直流线路发生故障，而且由于高压直流输电线路比较长，高压直流输电线路在途中很可能会与各种不同电压等级的交流输电线路相交，在直流、交流输电系统长期运作下，由于一些原因很容易发生交流和直流线路碰线的现象，造成高压直流线路故障。
4 电网故障造成多回路直流输电闭锁可能造成的后果
电网故障造成多回路直流输电闭锁后，会使得交流通道过负荷、系统无功需求激增、系统电压陡降，甚至会造成整个交流线路连锁跳闸，将可能造成重大的经济损失。因此需要分析可能造成回路直流输电闭锁的原因。高压直流输电系统中，直流输电系统模块频繁发生瞬时故障引起现场总线系统频繁切换，会造成电网故障。换流站内双极区如果发生异常造成电网故障，也使多回路直流输电闭锁，会导致换流站停止运行。因交流系统发生故障导致多回路直流输电闭锁使，会造成直流系统双极停运。
5 高压直流线路故障暂态分析的重要意义
由于高压直流直流线路在保证整个直流输电系统安全可靠运作中发挥着至关重要的作用，而且由于高压直流线路较长，容易发生短路、对地闪络、雷击、高阻接地、交流和直流线路碰线等情况，这些安全隐患的存在大大威胁着整个直流输电系统运行的安全可靠性。同时，现阶段，直流输电线路的行波保护很容易受到雷店、交流侧故障以及换相失败等故障的影响，而且高压直流线路的高阻接地也存在一定的安全隐患，为了提高直流输电系统运行的安全可靠性，对高压直流线路故障暂态分析是很有必要的。高压直流线路发生故障暂态时，其中包含了很多故障信息，通过分析直流线路故障暂态，可以了解和掌握到直流线路中发生的障碍的类型、发生障碍的具体时间以及障碍发生的方向等。通过分析这些故障暂态信息，从中提取并总结有价值的信息，从而采取有效的措施进行继电保护。在线路故障暂态信息中，可以将低、高频段上的能量比作为指标，从而放大不同故障暂态过程间的差异之处，提高直流线路故障分析的准确性。
6 结束语
高压直流输电系统的稳定直接关系着供电的稳定与用户的用电安全，随着社会经济的发展与工业化、城市化进程的不断加快，社会对供电的需求不断升高，高压直流输电系统在一定程度上能够解决大城市、偏远地区、孤岛等的供电需求问题，同时也能够解决大城市电网中存在的一些重要且继续解决的问题，但是高压直流输电系统运行的安全性与可靠性成为了人们关注的问题，因此需要对高压直流输电系统故障进行分析并提出有效的策略保护直流线路。
参考文献
[1]齐艳.高压直流输电系统故障分析及其线路保护方案[D].华东交通大学，2011.
【关键词】油田 测井装置 深井 电机 供电方式
随着经济的不断发展，人类对于不可再生能源的需求量越来越高，石油作为当今重要的能源，其开采成为了人们所关注的问题。在油田开采中，油田测井装备无疑是其中重要一环。下面，我们来客观的了解一下这几个主要方法。
1 调节压力装备和改变压力装备结合的提供电能方法
如下图图1所示的提供电能的方法就叫做调节压力设施和改变压力设施相结合的线性提供电能的方法，这种方法是现如今油田开采行业里面比较常用的提供电能的方法。这种方法是具有特点是，利用线性提供电能的方法，在提供电能的一边摆放一个调节压力的设备，同时将另外两台改变压力的设施放在两旁。调节压力设施的主要用途是让提供电能设备可以对电压进行调整，这就避免了以往线路传播电能对于电压的损失，让更多的电压用于提供发电机的额定电压。旁边的两个变压器的作用第一是让电气的输入和输出提供有效间隔；第二是为电压数值升高和降低的转变提供了方便；第三是用两个变压器的方式设计，这两个变压器两端正好相差九十度，这样提供电能的电压也是九十度，用这样的方式可以提高供电效率。
这种提供电能方式的优点就是对于技术的要求不高，具有简便、直观的特点，而且花费不高，工作的时候也比较稳定。但是这种方式的弊端也是显而易见的，比如说具有较大的体积和重量，三个机箱的重量可想而知。同时在调整电压时需要人的控制，浪费人力资源。
2 斩波提升压力和单相工频率逆变相结合的提供电能方法
第二类提供电能的方法名字就叫做斩波提升压力和单相工频率逆变相结合的提供电能方法，这种方法供电的原理是利用交流先转化成直流，再直流，再转化成交流电的方法（见图2）。这种方法是先让斩波提升压力转变设备把工频率电流整合以后的直流电压升高到直流七百五十伏特到一千二百伏特之间，具体调整数值根据实际情况而制定，接着再用两个单相逆变设施转化成为spwm波段，采用正弦波段过滤设备过滤成工频率正弦交流电流，让这两个电流中间的电压差变成九十度位置，然后用这样的方法就可以给深井下的发电机提供电能了。
3 斩波调节压力、三相逆变和工频率变压器提供压力相结合产生间隔的提供电能方法
第三类提供电能的方法就叫做斩波调节压力、三相逆变和工频率变压器提供压力相结合产生间隔的提供电能方法。这种方法的优缺点也是一目了然的，和前两种方法比较来说，最大的优势就是让输入和输出两端产生了间隔。但是也有致命的不足，就是产生间隔工频改变压力设备重量比较大，增加了负重。但是这样的方法相对于第一类方法来讲，这种直流斩波设备自动调节压力的方法减少了人力资源的使用，同时在调节压力的过程中更加快捷精准，具有较高的自动性，重量比较小。
4 利用直流电进行输送和深井下逆变相结合的提供电能方法
第四类提供电能的方法就是利用直流电进行输送和深井下逆变相结合的提供电能方法。在现如今的测井装备中，这种提供电能的方式就一种最佳方法，这种方式满足了现如今电力体系中最前沿的直流输送电流的理论。
5 晶闸管控制调节电压和工频三桥臂逆变设备相结合的提供电能方法
第五类提供电流的方法叫做晶闸管控制调节电压和工频三桥臂逆变设备相结合的提供电能方法，示意图如图六。与以上方法不同的是，这种方法采用的是交流变直流，再转变成交流电的方法。这种方式的调节电压环节运用的是晶闸管单相整流桥，让电气产生间距的方式仍然是用工频改变压力设备，而且用三相逆变器来让直流电直接转化成为交流电。这种方式简化了电路，让整个电路的成本大大的降低。
6 单相高频率逆变、隔断、整合电流和工频三桥臂相结合的提供电能方法
第六类提供电能的方法叫做单相高频率逆变、隔断、整合电流和工频三桥臂相结合的提供电能方法。这种方法由两组交流、直流、交流转换器构成，第一组转换器叫做低电压侧边转换器，它的功能是将交流电转化为直流后，马上再变成交流；第二组转换器叫做中电压侧边转换器，作用是将高级电压转化成中级交流电。在这其中，高频率变压器让电气产生了间隔同时升高了电压。变压器输入电压频率也大幅度提升，让体积和重量都达到了最小标准。
7 结束语
通过对以上六类提供电能的方法进行分析，基于我国现如今科技水准和实践运用状况，可以得出这样的结论：第六类提供电能的方法是现如今油田测井发电机提供电能的方法中，最合适的，也是最具有实用价值的。在以后的油田测井设备中，应该首选这种方法，从而达到最大油田开采效率，进一步满足能源需要。
参考文献
[1] 彭其泽，张全柱.油田测井装置深井电机地面供电方式的研究[J].武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2011，33（4）：590-593
【关键词】220kV变电站；直流系统；蓄电池；充电装置
根据继电保护装置，断路器跳合闸控制，事故照明和交流不间断电源的需要，220kV变电站应装设由蓄电池供电的直流系统。直流系统作为保障变电站可靠运行的关键性条件之一，应从直流系统接线、蓄电池及组数、直流充电模块的选配来实现可优化性配置，以达到电压平稳、供电可靠、容量大，适用于变电站直流负荷的目的。
1、直流系统接线
1.1直流母线接线
根据规程要求变电站多采用单母线、单母线分段接线或双母线接线，但随电压等级不同，接线方式存在差异。结合220kV变电站的可靠性及经济性要求，因单母线接线方式接线简单清晰，但可靠性与灵活性差，而单母线分段接线馈线由不同母线供电，且接线虽较单母线复杂，但较双母线接线简单清晰，也便于在直流屏内进行布线，并能在当一段母线故障时，分段断路器在继电保护配合下自动跳闸，切除故障，使非故障母线正常供电，方便查找直流系统接地。再从减少母线隔离开关用量，节约投资成本以及利于检修维护考虑，故220kV变电站采用单母线分段接线，每段母线分别接一组蓄电池和一套充电装置。
1.2直流馈线网络
考虑现阶段辐射式供电负载率过高，分段不合理，联络数过少，无法满足N-1准则，220kV变电站直流系统馈线网络采用环网供电方式，为满足220kV系统继电保护配置双重化的要求，两套保护的直流供电电源相互独立，两个直流分屏分别从两段分母线引入，控制直流母线分为两段，且控制直流母联开关正常运行时断开。
1.3直流系统工作电压
220-500kV变电站的强电直流电压为220V或110V，弱电直流电压为48V。强电直流电压选220V还是110V，应根据被控对象的距离、变电站的规模和布置方式来综合考虑直流系统的额定电压。具体如以下几点：
1）在变电站中，对于动力负荷来说，它们的功率一般比较大，供电距离较长，采用110V电压时，电缆截面较大，投资增加，通过技术、经济比较，采用220V电压比较好。2）在相同操作功率时，220V控制电缆中的电流比110V控制电缆中的电流要小一倍，降低了控制电缆中的电压降，也降低了控制电缆方面的投资。由上可见，对于采用220V的直流系统工作电压，不仅可以选用较小的电缆截面，降低电缆的投资，还可以节省有色金属。故对于220kV变电站采用220V的直流系统工作电压。
2、蓄电池及组数的选择
2.1蓄电池
1）铅酸蓄电池分为防酸隔爆式、消氢式及阀控式密封铅酸蓄电池三大类。阀控式密封铅酸蓄电池是全密封的，不会漏酸，在充放电时不会有酸雾放出来而腐蚀设备，污染环境，而且还有一个可以控制电池内部气体压力的阀。防酸隔爆式铅酸蓄电池属于半封闭型的，当在充电运行状态下产生的气体较多时，会使电池室中存在爆炸的危险，而且需定期往电池中加纯水及维护；消氢式铅酸蓄电池也需要定期进行维护与加水，比较麻烦。
2）隔镍碱性蓄电池充电末期电压与放电末期电压相差比较，约1.8-1.9倍，为保持直流母线电压不超过允许的变动范围，隔镍碱性蓄电池组必须采取调压措施，与无端电池的铅酸蓄电池相比，增加了投资和运行维护的复杂性，随着蓄电池容量的增大会更加明显。
阀控式密封铅酸蓄电池在其浮充寿命期内不必加水维护，在使用中减少了很多工作量，同时由于没有酸雾和气体排出，可以与成套直流电源柜一起安装在主控室，减少空间占位，该蓄电池的最佳工作温度为20～25℃。通过对比分析应选择阀控式密封铅酸蓄电池。
2.2 220kV直流系统蓄电池组数的确定
蓄电池组数主要取决于直流负荷的性质和直流系统对可靠性、经济性的要求。
1）考虑220kV变电站直流负荷重要程度相对较高，因大部分220kV变电站建设规模比较大，且为中间变电站，全站停电后，将引起区域电网的解列。配置两组蓄电池可靠性可以得到大幅度提高。2）从负荷的供电方式考虑，因220kV变电站的继电保护装置是双重化的，从电流互感器二次侧到断路器跳闸线圈都是双重化，因此，直流系统应设有独立的两组蓄电池，分别对两套保护及跳闸线圈供电，以利于系统的安全运行。因此，从满足设备可靠性要求和简化母线结构、减少设备造价、节约能源、避免降压装置故障开路造成母线失压等综合考虑，220kV变电站直流系统应配置两组蓄电池。
2.3蓄电池个数的确定
阀控式密封铅酸电池按技术规程要求，应根据直流母线电压应为直流系统标称电压的105%和单体电池最佳正常浮充电电压值计算出电池个数。阀控式密封铅酸蓄电池的单体浮充电电压值宜取2.23～2.27V，通常取2.25V。蓄电池组电池个数按n=1.05Un/Uf（式中Un为直流系统标称电压，Uf为单体蓄电池浮充电电压，n为蓄电池个数）计算，可以得知每组蓄电池数量为103个。
2.4蓄电池容量的选择
对于蓄电池容量的选择需进行直流负荷统计，直流负荷按性质划为，包括经常负荷、事故负荷、冲击负荷。采用电压控制法计算来选择确定蓄电池的容量，为使得事故放电初期、放电末期蓄电池都能维持在一定的电压水平，而且能承受冲击负荷，蓄电池还应考虑适当的裕量。通过计算，220kV变电站直流系统额定电压取220V，蓄电池考虑两组，那么蓄电池的容量一般选择为150～200Ah。
2.5蓄电池的布置
阀控式蓄电池对充电装置和运行环境有很高的要求，这也是之前很多变电站对蓄电池设置专室布置，并用专门的空调进行控制蓄电池运行所要求的温度环境，然随着蓄电池产品技术已渐成熟，再加上从经济上进行考虑，变电站蓄电池组200Ah及以下容量的电池可组柜安装在主控室或直流电源室，这样布置可以在达到减少220kV变电站直流系统建设投资和运行费用的同时也优化了直流系统供电网络与直流负荷之间的电气距离，进而提高直流系统整体网络的优化运行。
3、直流充电模块的选择配置
3.1充电装置的配置
充电装置配置的原则要求按蓄电池组配置，故2组蓄电池组可配置2组充电装置。考虑智能型高频开关充电装置能满足直流装置输出电压纹波系数不大于1%的要求，同时其稳压、稳流精度的指标符合技术要求，不会产生直流系统稳定性差和功率不足等现象。且智能型高频开关充电装置具有技术先进、性能优越和体积小等优点。因而220kV变电站应选用两组高频开关充电装置。
3.2高频开关电源的设置
直流系统采用高频电源模块时，一般按N+1并联冗余设置，正常情况下，N+1模块同时供电，自动均流，当其中一个模块出现时，总负荷由其它模块均分，并且故障的高频开关整流模块可带电插拔更换，这样就使故障更换没有时间限制，大大提高了运行的可靠性，采用这种电源布设的直流系统大大简化了接线，节省了屏位，也减少了投资。
关键词：高速铁路；牵引供电系统；全并联AT牵引网；联跳保护；继电保护 文献标识码：A
中图分类号：U223 文章编号：1009-2374（2017）02-0104-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.02.049
高速铁路的牵引供电系统的主要功能就是向电力机车提供连续可靠的电能。为了使牵引供电系统能够可靠安全供电，继电保护发挥了重要的作用，继电保护不仅可以在牵引供电系统正常运行时，满足电力机车运行所需要的各个方面，并且可以在牵引供电系统不能正常工作以及损坏时，确保供电系统及其设备安全运行。在高速铁路长期运行期间，系统很难不出现问题。相对牵引网而言，由于动车组通过受电弓与接触线滑动接触的取流方式及机械振动等原因，牵引网的故障率比电力系统大得多。由于材料、制造工艺、安装及维护技术等原因，我国牵引网的故障率比国外电气化铁路又要高很多。常规的保护在某些严重情况下无法正确动作，会导致牵引网烧损乃至烧断、列车供电长时间中断等严重事故。对于变压器，我国高速铁路采用特殊接线的变压器，其容量和电压等级与普速铁路相比有很大的提高。
1 牵引供电系统
电力系统提供两路独立电源进线，在通过牵引变电所转变电能后，再送给牵引网，以使电力机车能够取流，然后完成电力牵引，牵引变电所、牵引网和电力机车组成了牵引供电系统。
1.1 牵引变电所、分区所、AT所
牵引变电所的功能就是把系统引入的高电压转换成低电压的交流电，然后再通过馈电线送给铁路沿线的接触网，向电力机车提供电量，因为牵引负荷是单相负荷，为了尽可能将单相负荷均匀地分配到电力系统三相中去，牵引变压器常选择比较特别的接线变压器，比如斯科特接线、阻抗匹配平衡接线等变压器。高速铁路采用V/x接线等牵引变压器。常常在两个牵引变电所的供电区中间设置分区所，以使供电更加灵活。
1.2 牵引网
牵引网是由馈电线、接触网、回流线组成的多导线供电的回路。
它有很多种供电方式，例如直接供电和带吸流变压器（BT）供电、自耦变压器（AT）供电和全并联AT供电方式。其中BT供电由于大地回流和“半段效应”其对通信线路的防护效果并不理想，同时由于“吸-回”装置将接触网的连接方式变得麻烦，机车的受流条件变得更差，所以现在已经不经常使用了。
1.2.1 直接供电方式。直接供电这种方式相较而言是比较简单的，电力机车工作所需要的电能是由牵引变电所输出的电能供给的，这种供电方式就是直接供电方式。它有很多好处，这种方式的结构比较简单，而且节省投资，但是其回路电阻大，供电距离较短。同时因为牵引供电系统是单相负荷的，这种供电方式无法使其平衡，这样就会严重影响通信线路。
1.2.2 AT供电方式。随着铁路的提速，以及高速、大功率电力机车的不断投入运行，牵引网需要提供更高的电能，为此引入AT供电方式，牵引变电所主变输出电压为55kV，经AT向接触网供电，一端接接触线，另一端接正馈线，其中点抽头则与钢轨相连。这种供电方式下，其馈电电压高，供电能力强，牵引变电所的数量可以减少，从而节省投资。而其接触线和正馈线中的电流近似大小相等方向相反，所以牵引电流对通信线路的影响较小。目前，我国的大秦、京秦、郑武等普速电气化铁路线路都采用了AT供电方式。
1.2.3 全并联AT供电方式。为了进一步提高牵引网电压，减小牵引网电能损失，采用了牵引网的上下行线路在AT所和分区所处进行并联的接线方式。我国高速铁路普遍采用全并联AT供电方式。这种供电方式下机车的负荷电流由于并联支路的存在将会有多个供电回路，使牵引网的电阻值降低了，并且使牵引网的供电能力增加了，但是在牵引网故障时，同样存在多个回路给短路点供电，使故障分析更加复杂，同时使其继电保护与普速铁路时有很大不同。
1.3 电力机车负荷
电力机车按照牵引驱动电机的不同可以分为直流电力机车（又称交-直电力机车）和交流电力机车（又称交-直-交电力机车）。在普速铁路中通常采用交-直电力机车，而在高速铁路中全部用交-直-交电力机车。两种机车由于采用的整流电路不同，使得其谐波成分、功率因数等有很大区别，进而对其继电保护产生影响。
2 继电保护研究
2.1 线路保护研究
2.1.1 电力系统线路保护。由于全线速动的需要，电力系统220kV以上电压等级的线路普遍采用以光纤为通信通道的线路电流差动保护作为主保护。光纤电流差动保o简称光差保护，其保护原理建立在基尔霍夫电流定律的基础之上，具有良好的选择性，能快速地切除保护区内的故障，长期以来对其的研究一直不断。
电力线路能够应用电流差动保护的一个重要前提是电力负荷在被保护线路的区域以外，与牵引网有很大不同。作为牵引网的负荷，电力机车或动车组会在牵引网区段内沿线移动。如果牵引网采用差动保护，在负荷工况下差动电流将是所有负荷电流之和，差动保护的动作电流必须躲过最大负荷电流。在此情况下，差动保护的动作电流与过电流保护的动作电流相同，两者的灵敏度也相同。此外，应用差动保护还需要克服电力机车过电分相时引起的冲击电流以及在牵引网区段内启动时的启动电流等问题，这些暂态电流往往可达机车额定负荷电流的数倍，从而需要电流差动保护采取诸如进一步提高动作电流门槛、增加动作延时、增加闭锁判据等措施才能保证在负荷工况下不会误动。然而，一旦采取这些措施又会恶化差动保护的性能，增加了保护的复杂性和拒动的概率，因此牵引网不宜直接采用差动保护。计算机技术、通信技术的发展促进了继电保护技术的进步，使得继电保护可以采取更复杂和更精细的算法。
2.1.2 牵引网保护。高速铁路牵引网沿用了普速铁路采用的保护原理，主要有距离保护、过电流保护、电流增量保护等。
第一，距离保护。普速电气化铁路采用距离保护作为牵引网的主保护，并利用负荷电流中的综合谐波含量自动动态调节四边形动作特性的边界，从而防止保护在负荷电流下误动作。
第二，过电流保护。根据牵引网供电方式的不同和继电保护选择性的需要，过电流保护可配置1～3段，并可采取综合谐波抑制和励磁涌流闭锁措施。
第三，电流增量保护。电流增量保护根据电流在短时间内的变化幅度来区分是负荷电流和故障电流：在正常情况时，电力机车沿线顺向行使，牵引网电流的增量不会超过1辆车电流的最大值；在牵引网故障时，短路电流急剧增大，电流的增量比负荷电流大得多。
第四，接触网发热保护。高速重载列车的单车牵引电流较大，在300～350km/h时可达到600～1000A，接触网在比较长时间内都是大电流时，容易发热，然后牵引网的扩张力会降低，稳定性也会变差，从而就会对高速重载铁路正常工作运行时产生影响，所以为了保护接触网，必须设置热过负荷保护。该原理是以机车负荷和环境温度为基础，根据接触网热模型实时计算接触网温度，当计算的温度比设定的温度高时，跳闹回路就会工作，使馈线断路器断开。
2.2 变压器保护研究
系统的供电中最重要的设备就是变压器，它的继电保护可以直接影响供电是否正常以及设备是否安全。变压器的主保护使用的一直都是差动保护，它是以基尔霍夫电流定律作为基础的保护原理：变压器在正常工作或外部故障时，变压器节点的电流代数和为零，即差流为零；变压器内部故障时，电流代数和不再为零，即出现差流。所以差动保护的性能受不平衡电流影响，而励磁涌流和电流互感器饱和都会在差动章凡生很大的不平衡电流，可见防止差动保护误动的关键是区分励磁涌流识别和TA饱和识别。目前，内外的研究者着重对这两个方面进行了研究，而且也提出了很多的办法。
对励磁涌流的识别主要有二次谐波制动原理波形对称原理基于变压器回路方程法等方法。二次谐波制动原理是基于故障时电流二次谐波含量低，而励磁涌流二次C波含量高，通过计算差动电流与基波比值判断是否发生变压器内部故障。该原理简单，是目前国内外广泛采用的涌流制动方法。波形对称原理是间断角原理的推广，利用差动电流在一个周期内前半波和后半波的波形是否对称判断是否为变压器内部故障。常用的方法有微分波形对称法、积分波形对称法和波形相关法。基于变压器回路方程法与前两个方法的区别是它同时利用的电流和电压，通过列写原副边的回路方程，得到仅有电压、电流和绕组参数的方程。
除了主保护外，变压器还装设有后备保护，其作用是防止外部短路引起的变压器过电流，并作为差动保护以及线路保护的后备。在电力系统中，一般复合电压启动的过电流保护被用作变压器的后备保护。由于牵引负荷为单相负荷，在牵引供电系统正常运行时就存在负序电压和负序电流，有可能造成复合电压启动的过电流保护误动作。所以我国牵引变压器后备保护并没有采用复合电压启动判据，而是采用了低压启动过电流保护作为牵引变压器高、低压侧的后备保护。由于采用了低电压启动元件，使过电流保护的整定可以按照额定电流整定，大大提高了过电流保护的灵敏性。但是由于高速铁路采用220kV以上的高电压作为电源和容量80～100MVA的牵引变压器，不仅使系统内等效电源的电阻增加了，而且也使牵引网发生故障时产生的母线电压水平提高了，在低电压下工作的元件在这种情况下，可能会拒动。
目前，对于变压器的后备保护研究主要包括两类：一种是改进现有的过电流保护；另一种是采用其他保护原理。
3 结语
我国高速铁路全部采用电力牵引，作为源动力的牵引供电系统的作用显得更加重要。但我国高速铁路发展时间短、发展速度快，继电保护原理及保护配置的思路主要沿用普速电气化铁路的经验，不能很好地满足采用了220kV的外部电源、V/x压器、全并联AT方式、动车组负荷的高速铁路牵引供电系统。因此，对高速铁路牵引供电系统的继电保护进行持续深入研究，既响应现场实际需求，也具有重要的社会经济价值。
参考文献
[1] 陈小川.铁路供电继电保护与自动化[M].北京：中国铁道出版社，2010.
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直流稳压电源包括变压器部分、整流滤波部分、稳压部分，主要技术指标为电压参数（如果可调节，则为电压范围）、纹波系数（纹波电压）、输出电压调整率、额定输出电流。
直流稳压电源是能为负载提供稳定直流电源的电子装置。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。 直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。
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功率半导体器件应用非常广泛，是各种电子系统及仪器的基础，通常包括功率二极管、三极管、MOS场效应管、结型场效应管、可控硅等。目前，功率半导体器件应用单位涉及航天、航空、高等院校、电子研究所等诸多部门。其制造工艺及其设计水平较原来普通器件在功率上有了很大的提高，而功率器件直流参数是器件性能验收必测参数，以功率半导体二极管为例，直流参数主要包括：击穿电压VR、反向直流电流IR、正向直流电压VF、工作电压VZ等。
功率半导体器件测试系统是用于测试半导体器件直流参数的系统。测试过程中，半导体器件的附加温升导致测试数据漂移和不稳定，因此在美军标、国军标、国标等标准中提出了“脉冲测试”法。美军标MIL-STD-750E半导体器件试验方法4.3.2.1、国军标GJB128A-1997半导体分立器件试验方法3.3.2.1中，300μs脉冲宽度的测试条件推荐选取。
功率半导体器件直流参数测量，需要高压电压源、脉冲大电流源、可测试大电流的恒压源、小电流源、小电压源、数字电压表等多个模块配合才能实现。其中，其技术要求为：上升下降时间快（优于20μs）、脉冲宽度满足标准要求（优选300μs）、脉冲电流幅度（高达1000A）。
总体设计方案
本文所研制功率半导体器件直流参数测试系统，采用模块化设计，主要分为电源模块、脉冲大电流矩阵开关模块、高压电压源、脉冲大电流源、可测试大电流的恒压源、小电流源、小电压源、数字电压表等模块组成。测试系统组成框图如图1所示。
电源模块分别给其他各模块提供工作电源。测试系统通过计算机使用测量软件进行功率半导体器件参数测量控制。通过VC++6.0开发环境开发功率半导体器件直流参数测量软件，可快速、准确、全面的对二极管、双极晶体管、场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管（IGBT）进行直流参数测试。
1各部分技术指标及主要功能
1）系统背板
主要实现高压电压源、大电流源、可测试大电流的恒压源、小电流源、小电压源、数字电压表各模块与计算机通过专用接口之间的通信。
2）系统专用接口
实现计算机与系统背板之间通信。
3）计算机
为功率半导体器件直流参数测量软件的运行平台。
4）高压电压源
提供击穿电压等高电压电信号的供给，电压范围：30～3000V，最大允许误差：±2%。
5）大电流源
提供测量所需偏置脉冲电流，脉冲电流范围：10～500A（脉冲宽度：50A以下为100μs～10ms，50～500A为300μs），最大允许误差：±2%，开路电压：4V。
6）可测试大电流的恒压源
通过该恒压源，实现脉冲电流的测量，电压范围：-30～+30V，最大允许误差：±1%。
7）小电流源
提供较小的直流电流驱动能力，电流范围：10mA～10A。
8）小电压源
提供较小的直流电压驱动能力，电压范围：-30～+30V，最大允许误差：±1%，开路电压：20V。
9）数字电压表
提供直流电压的测量，测量范围：1～3000V，最大允许误差：±1%。
10）矩阵开关
通过矩阵开关实现各模块资源的调配，为直流参数测量准备好条件。
11）测试端子
实现与被测功率半导体器件的连接。
2直流参数测量原理
以绝缘栅双极晶体管正向跨导gm参数测量原理为例进行介绍，其余参数测量原理参照国军标GJB128A-1997半导体分立器件试验方法。
可测试大电流的恒压源（恒压测流源一）施加规定电压，调整小电压源（恒压测流源二）电压值使所测试出的电流为规定值Id1，记录此时的电压V1，改变V1的电压为V2，记录此时可测试大电流的恒压源（恒压测流源一）测试出的电流为规定值Id2，正向跨导通过式1可计算
脉冲大电流源主要技术指标为电流范围：10～500A（脉冲宽度：50A以下为100μs～10ms，50～500A为300μs），最大允许误差：±2%，开路电压：4V。
脉冲大电流源主要实现脉冲大电流产生，自重脉冲电流幅度为50～500A部分，脉冲宽度采用相关标准规定的300μs。该模块的研制是本项目的关键技术之一，主要采用电容充放电技术，即通过精心挑选的变压器对电容器矩阵进行充电，充电达到一定值后，通过软件控制负载通断时间，实现脉冲大电流的产生。中间涉及多项难点，包括：1）脉冲电流幅度精度的保证，通过大功率精密电阻保证所提供脉冲电流幅度的准确度；2）降低电容充放电矩阵容抗的影响，本项目通过采用低值电容进行并联的技术，既达到了需要的电容值，又降低了大电容必然产生高阻抗特性。
所设计脉冲大电流源模块如图3所示。
4技术指标的保证
保证技术指标是整个硬件设计的基本要求。这里以小电压源、小电流源部分为例进行说明。两部分技术指标为电压范围：-30～30V（零点除外）；最大允许误差：±1%；电流范围：10mA～10A；最大允许误差：±1%，开路电压：20V。为了提高精度采取以下措施：
1）数模转换芯片选择完整的双通道、12位、电压输出数模转换器。一个通道为电路提供驱动电压和驱动电流，另一个通道提供钳位电压和钳位电流。12位的DAC的精度是±0.024%；
3）防止地塌陷影响精度，对加流测压反馈回路中的地进行噪声处理；
4）电压分挡模式切换使用串联连接方法组成不同的阻值，如果使用并联方式，继电器切换瞬间会构成反馈环路断开，主运放开环输出电压接近电源轨道，影响精度；
5）如果输出端与负载直接相连，在测试元件等效电阻小时，会由于线损而产生测试误差，故在实际设计中，输出端与负载的相连可采用开尔文电桥接法，负载两端采用四线连接；
6）为了防止地、电源的干扰，把FORCE包裹起来，形成等电位，保证精度；
7）SENCE端采用电压跟随器，进行隔离，保证精度；
8）在电路板布线的过程中，避免直角走线，减少噪声辐射和耦合。同时电源和地线尽量粗，减小耦合噪声。
5测量软件开发
功率半导体器件直流参数测量软件编制是基于PCI总线的控制软件，该软件采用VisualC++6.0作为开发平台。功率半导体器件直流参数测量软件，主要流程分为启动程序，选择器件类型，调入器件参数或者根据器件手册编制器件参数文件，进行电路保护判断，防止损坏系统，调整参数直到满足系统相关资源为止；启动测试，以图形或者文字形式进行测试结果显示。详细流程如图4所示。
6器件扫描新特性的开发
本测量软件在完成二极管、双极型晶体管、场效应晶体管、IGBT模块相关参数点测试的同时，通过对测量软件的功能进行升级，在点测试基础上，实现对器件特性曲线测量技术。实现了二极管、双极型晶体管、场效应晶体管、IGBT模块直流参数器件4种特性曲线的描绘功能，对话框如图5所示。
以功率半导体器件BSM111AR为例，特性曲线扫描结果如图6所示。
关键词： 地铁供电 框架保护 轨电位 匹配关系
中图分类号：U224.8文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（b）-0000-00
1、概述
地铁直流牵引供电系统设备采用绝缘安装，钢轨通过绝缘垫与大地绝缘，以减少杂散电流。每个车站上下行分别设置一台刚轨电位限制装置，每个牵引所设置有框架保护系统。
地铁直流牵引系统框架保护是供电系统的重要保护，框架保护动作后将导致总共12个断路器的跳闸：本所所有的直流开关6个，本所33KV整流机组高压开关2个，连跳相邻所对故障所方向的直流开关4个。框架保护动作后断路器不会自动重合闸，会造成接触网大面积停电，影响客运。因此框架保护的正确动作对整个牵引供电系统来说尤为重要。钢轨点位限制装置用来监视钢轨电压并限制钢轨电压，保护人身安全。
2、直流牵引系统框架保护原理
地铁直流牵引系统框架保护分为电流型保护和电压型保护，为了防止直流牵引供电设备内部绝缘降低时造成人身危险及设备损坏，每个牵引降压变电所内设置了一套直流系统框架泄漏保护装置，该保护包含反映直流泄漏电流的过电流保护还有反映接触电压的过电压保护。
变电所内直流牵引系统设备（包括直流开关柜、负极回流柜、整流器柜）的外壳不直接接地，对地有一定的电阻；所有设备的外壳通过电缆接在一起（简称为框架）经过一个分流器再接到大地。当框架对地有泄漏时，电流经过分流器流向大地，这个电流产生一个电压，通过电流变换器转换成电压信号输入到保护装置内进行判断，如达到保护装置的整定值则保护输出动作使断路器跳闸，从而保证人身与设备的安全。
同样，框架与负极（钢轨）间的电压信号，经过电压变换器转换成一个低电压信号输入保护装置，输入的电压信号经过保护装置内的程序判断，并与事先贮存的反时限延时曲线比较；当保护单元检测到输入的电压比较高，对应的框架与负极（钢轨）之间电压的已经达到或超过整定值时，输出信号使断路器跳闸。
3、轨电位限制装置原理
在利用钢轨回流的直流牵引供电系统中（钢轨对地为绝缘安装），为了防止钢轨电压过高而对人身造成的伤害，在钢轨与保护地之间安装了钢轨电位限制装置。其功能是不断地检测钢轨与保护地之间的电位差。当出现危险电压时，则自动将钢轨与保护地进行短接。
钢轨电位限制装置一般由接触器、晶闸管回路、测量和操作回路、信号接口端子、保护装置、防凝露加热器、状态显示设备等组成。控制原理采用了闭环控制，即使在辅助电源失去的情况下，也可以保持将钢轨和大地短接，保证人身安全。一旦电源恢复，短路装置将恢复断开。
4、框架保护与轨电位限制整定值之间的匹配
广州地铁三号线牵引供电系统框架保护整定值：电流型保护为35A，当检测到框架电流大于35A时，通过安装在负极柜内的保护装置S7300启动跳闸指令，断开相应的断路器；电压型保护报警值90V，跳闸值有100V/1.2s、150V/0.6s、200V/0.4s三个阶段，按反时限整定。按目前的运行经验，三号线发生的几起框架保护动作均是电流型保护动作。
轨电位限制装置保护定值为90V、150V、600V三个阶段。第一阶段：当轨电位高于90V时经过0.8s延时，轨电位直流接触器闭合将钢轨与大地有效短接，10s后恢复；当轨电位装置连续动作3次，且每次动作时间间隔均小于60s，直流接触器将闭锁（恒定合闸）不再恢复；第二阶段：当轨电位大于150V，直流接触器将无延时永久合闸闭锁；第三阶段：当轨电位大于600V，轨电位装置晶闸管在100ms内导通，直接将钢轨与大地短接，然后启动接触器合闸，晶闸管随即恢复高阻状态。
框架保护电压元件监测的是设备外壳对钢轨之间的电压，设备外壳通过电缆连接在一起接地，轨电位限制装置监测的是钢轨对地电压，二者测量的是同一电压值。由保护设置原则及动作影响范围来看，框架保护的电压型保护应作为轨电位限制装置的后备保护，两者之间的整定值应符合阶梯关系，框架保护动作时间应长于轨电位动作时间。广州地铁三号线目前的匹配情况是框架保护电压元件动作时间（1.2s）比轨电位动作时间长（0.8s），动作电压也较高。
针对一号线曾经发生过的一起框架保护动作情况分析来看，设备未发生短路故障，是由电压元件动作引起的框架保护动作跳闸，有可能是由于轨道瞬时出现毛刺形的电压波形，电压元件受到干扰而误动作。一般情况下，当轨电位升高达到整定值时，轨电位应先动作将钢轨与大地有效短接，当轨电位失效拒动才会启动框架保护的电压型保护动作，但由于当时一号线轨电位限制装置与框架保护装置的整定值匹配存在问题，才会导致框架保护误动作。
2014年三号线发生一起由于直流母排对外壳放电引起的电流型框架保护动作，造成两个供电区短时停电、电客车晚点，由于故障发生时间正是早高峰，对客运造成了很大的影响。此次故障也造成整流器柜内的多个二次元件烧毁，开关通讯中断，增加了抢修的困难及时间。框架保护的正确动作对地铁运营安全尤为重要。
5总结
对地铁运营来说，框架保护一旦动作将会造成很大的影响，大面积停电、恢复供电时间较长，抢修过程中需要越区供电，存在较大风险。钢轨电位的升高也受到很多因素的影响，地铁运营初期钢轨绝缘情况较好，到后期钢轨绝缘下降，轨电位也逐渐升高，一旦轨电位值达到整定值，刚轨电位限制装置要先动作，有效短接钢轨与大地，避免框架保护电压元件的误动作。因此，在已运营多年的地铁线路直流供电系统中，要调整好框架保护装置与轨电位限制装置之间的整定值匹配关系，并做好刚轨电位装置及框架保护装置的维护校验，有效避免由于电压元件的误动作而引起的不必要的大面积停电及影响客运的事件。一旦发生框架保护动作，技术人员应按照应急处理程序进行处理尽快恢复供电，保证地铁正常运营。
参考文献：
关键词：逆变器Inverter，限流电路，安全要求
随着科学技术水平的进步以及人们日常生活水平的提高，以前被称为奢侈品的液晶电视也逐渐进入了寻常百姓的家中。液晶电视由于其轻巧，能耗低，画质清晰，已逐渐被人们熟知并接受。
液晶电视的主要工作原理是在两张玻璃之间的液晶内，加入电压，通过分子排列变化及曲折变化再现画面，屏幕通过电子群的冲撞，制造画面并通过外部光线的透视反射来形成画面。液晶电视和等离子电视不同的区别就是，液晶电视的屏幕是通过内部的高压灯的照射后发光，等离子电视是本身的发光管发光。
液晶电视内部的高压灯管是通过逆变器产生的高压而工作的。Inverter即逆变器，又叫电压升压板。它是专为液晶面板LCD Panel的背光灯提供工作电源的。
液晶面板使用的背光灯管的工作电压很高，正常工作时的电压约为800V左右，而启动电压则高达1500V，工作电流则为5～9mA。这样就需要为其供电的Inverter有如下功能：
1）能够产生1500V以上的高压交流电，并且在短时间内迅速降至800V左右，这段时间约持续1-2秒。
2) 由于Inverter提供电流的大小将影响液晶屏荧光灯管的使用寿命，因此输出的电流应小于9mA，需要Inverter有过流保护的功能。防止使用人员在不小心碰到后发生危险。
3）对于使用的考虑，要有控制功能，即在显示暗画面的时候，灯管不亮。这也是节能的一种考虑，因为液晶电视工作时，消耗的电能主要是供高压灯发光，而高压灯又不能根据画面变化自动调节亮度，从一开机就是一种亮度，只有当画面不显示的时候，通过控制功能，将高压灯关闭，从而起到节能的作用。 这一点在注重节能环保的今天，其重要性也逐渐显现。
普通的逆变器（图1），单独供电，此类逆变器一般使用在液晶显示器，笔记本电脑液晶屏，扫描仪等产品中，这个设备本身就采用低压供电，逆变器的工作电压通过外部电源一并供给。
（图1）
二合一电源（图2），内部供电电源和逆变器整合在一起。此类逆变器一般使用在功耗较大的液晶电视或显示器上，通过电网电源供电再转换成逆变器需要的低压电，以获得稳定的电压和功耗。
（图2）
以下将对Inverter的工作原理进行简要介绍：
Inverter是一种直流到交流（DC to AC）的变压器，顾名思义是逆向变压，它其实与电源适配器Adapter相比是一种电压逆变的过程。电源适配器是将市电电网的220V交流电压转变为稳定的直流输出，例如USB供电的直流5V，而逆变器是将电源适配器输出的直流电压转变为高频的高压交流电。现在的逆变器一般采用了PWM（脉冲宽度调制）技术，从而获得大功率、高效率的交流逆变输出。
Inverter工作原理框图
输入接口部分：
输入部分通常情况下有3个信号，1）直流输入电压，2）工作控制电压，3）Panel电流控制信号。直流输入电压由电源适配器或电源板输出的直流提供，工作控制电压由主板上的控制芯片提供，其值为0或3V，当工作控制电压=0时，逆变器不工作，而工作控制电压=3V时，逆变器处于正常工作状态；而电流控制信号电压由主板提供，其变化范围在0～5V之间，通过不同的电流控制信号值反馈给PWM控制器反馈端，逆变器向负载提供的电流也不同，电流控制信号值越小，那么逆变器输出的电流就越大。
电压启动回路：
工作控制电压为高电平时，输出高压去点亮LCD Panel的背光灯灯管。
PWM控制器：
主要由有以下几个部分组成：内部参考电压、误差放大器、振荡器和PWM、保护电路、输出晶体管。
直流变换：
通过MOS开关管及储能电感组成电压转换电路，输入的脉冲通过放大器放大后驱动MOS管做开关动作，使得直流电压对电感进行充放电，这样电感的另一端就能得到交流电压。
LC振荡及输出回路：
保证灯管启动需要的1500V电压，并在灯管启动以后将电压降至800V。
输出电压反馈：
当高压灯管工作时，反馈采样电压，起到稳定逆变器电压输出的作用。
逆变器变压器一般是多路输入，一路高压输出，如果对于大屏幕电视中内部多个灯管的LCD Panel ，一般是采用多个逆变器板或多个逆变器分开输出。对于逆变器，由于其工作时会产生高压，内部的逆变变压器，PCB，输出插座等在生产过程中，很多客户都要求使用通过UL认可或相应耐燃等级的材料和元件，以保证其产品的安全性。
现在中国强制性产品认证实施过程中，对逆变器的安全性考核的方面主要有以下几个方面：
1）温升
考核逆变器在正常工作和发生单一故障的时候，其内部逆变变压器、PCB板及其他元件不会有影响到人身安全或影响到周围器件正常工作的过高温度。
2）防火要求
考核内部逆变变压器、PCB板等容易产生高温的内部元器件是否具有一定的防火等级和能力，用以保证自身不会发生着火危险，以及当其他元件着火时对火焰的蔓延起到减缓和阻止的能力。
3）抗电强度，
考核逆变器在工作时产生的高压是否会由于逆变变压器的绝缘不够使得产生的高压影响到低压输入部分并影响到使用者的安全。
4）限流电路
关键词：直流微网；新能源；电能利用率
目前家庭用户中很多家用电器都是使用直流电，这些用电器必须配有整流器，把交流电转化成直流电，才能供用电器使用。因而直流电在传输与使用的过程中存在着许多交直流转换问题，大大降低了能源的利用率。为了降低能源的消耗，有效地使用新能源并产生一定的经济效应，我们研究了一种光伏发电家用直流微网。通过智能低压直流配电技术提高对新能源的开发和利用，同时节省家庭用电开支，大大减少火力发电厂的的供电压力，有利于缓解能源危机。
家用直流微网系统的基本原理是协调利用交流电网、各种分布式电源（例如小型光伏发电设备）以及应急电源（如蓄电池）为直流负荷供电，并根据分布式电源的电压变化情况，合理控制电能的分配。平时，家用直流微网系统主要利用分布式电源发电给直流负载供电。当分布式电源电压不足时，系统的主控电路系统会根据整个直流负载的用电情况来协调控制交流电网的供电比例。此外，当交流电网与分布式电源由于客观条件不能供电时，系统中的应急电源也能为直流负载供电，使系统能够稳定工作。而当交流电网与分布式电源供电充足时，系统将为应急电源进行充电。
对于既能使用直流电也能使用交流电的用电器，AC/DC转换器可以省略，不需要整流。当光照充足时，分布式电源能够供负载使用，直接使用新能源提供的直流电；当光照不足时，由交流电网给负载供电。
我们对整个系统进行了模拟。
新能源发电受时间、天气的影响较大，用电负荷在一天中的不同时段也有很大的变化，所以对整个系统进行检测与控制就是检测新能源的发电情况，协调交流电网和应急电源对其进行补充。我们选择了凌阳16位单片机SPCE061A作为直流微网系统的主控芯片。
我们选用的分布式电源是太阳能电池板，最大输出电压为25V。通过实验发现，随着照射到太阳能电池板表面的太阳光强度的变化，其输出电压将发生明显的改变，且具有一定线性关系。经过分析，我们提出了用太阳能电池板表面的光照强度反映太阳能电池板输出电压的思路。利用光敏传感器测量照射到太阳能电池板表面的太阳光强度，便可计算出太阳能电池板的输出电压大小。
我们选用了光敏传感器模块，在不同强度的太阳光下分别测量太阳能电池板输出电压和光敏传感器模块输出的模拟电平。经过测量、拟合，求出了太阳能电池板输出电压和光敏传感器输出模拟电平值的函数关系：
y=-6.7×x+25
从而能近似计算太阳能电池板输出电压值。
当新能源所发电能因太阳光强度减弱而不能满足直流微网系统需要时，主控芯片需要协调交流电网和应急电源对其进行补充。这就要求主控芯片除了能检测太阳光强度外，还能同时检测交流电网的供电情况。
通常情况下，交流电网具有两种工作状态，可以用0和1来表示：0供电正常，电压为220V。为了接入直流微网系统，用AC-DC整流器将其转成20V直流电；1停电，电压为0V。为了将交流电的通断转换成单片机能识别的电平信号，我们用两个大电阻对整流后的20V电压进行分压得到2.3V的低电压，然后接到一个比较器的反向输入端。当交流电网供电正常时，比较器反向输入端电压为2.3V左右，大于正向参考电压1.5V，比较器将输出低电平，主控单片机将检测到逻辑0信号；当交流电网停电时，比较器的反向输入端电压为0V
当新能源所发电能过剩时，需要将多余的电能存储到蓄电池中；当新能源所发电能不足时，需要将这些暂时不够利用的电能存储起来，以提高新能源的利用率。可是，这样就需要对蓄电池进行频繁的充放电，减少了蓄电池的使用寿命。我们把充满电的蓄电池作为系统的应急电源，这些蓄电池将只放电，不充电；而未充满电的蓄电池则用来作储能电池，这些蓄电池将只充电，不放电；当应急电源中的蓄电池电量不够时，可以与储能电池调换。这样，充电与放电分开管理，简化了蓄电池管理，利于延长蓄电池的使用寿命。
家用直流微网系统需要根据环境情况，协调利用各种电源为直流负荷供电，这些工作将由主控芯片来完成。主控芯片在检测到光强信息和交流电网供电信息后，需要对信息进行识别和处理，然后选择相应的电源为负载供电。我们选择了继电器模块作为电源选择的执行部件。因为主控芯片的控制信号是0和1的逻辑电平，这两种电平将使继电器模块上的开关接通和关断，利用主控芯片多个引脚就可以控制多个开关的通断，从而实现不同电源的选择。另外，继电器可以选择低电平导通，这样能减少电源控制环节的电能消耗，提高系统的效率。
综合以上设计，我们搭建了一套家用直流微网系统的实物模型，测试了它的工作方式，发现该系统能充分利用太阳能，且大多数时间市电环节都不用工作（除交流用电器耗电）。在实际的系统中，系统输出功率设计为500W，一年按晴天200天、平均日照8小时计，年生产约800度电，一年能节省约400元，相当于一户普通家庭年电费的20%。如果系统普遍推广，每年能减少燃煤12亿吨，迎合了当今低碳环保的主题。尤其是偏远地区，既提高了用电可靠性，还能减少交流电网输电压力。
将终端供电系统由交流改为低压直流，有必要性，也有可行性。如果能够广泛推广，应用于所有家庭，会产生巨大的经济效益，更能加快新能源利用推广速度！
参考文献
关键词 轨道交通 交流传动 逆变器 调压调频分类号
1 交流传动系统与直流传动系统的比较
随着电力电子器件、控制理论和计算技术的发展,交流传动已经逐步在取代直流传动,并显示了其在性能价格比和运行性能上的优势. 自1970 年bbc 公司开发的第一台交流传动内燃机车de2500 问世以来,到目前已有数千台交流传动机车和电动车组投入运营. 交流传动机车的粘着系数比直流传动机车高约10 % , 且交流传动机车的电机型式一般采用结构简单、可靠性好、寿命长,几乎免维护的鼠笼式异步电机。交流传动机车与直流传动机车的性能比较如表1 所示[ 1 ].
交流传动机车较直流传动有相当大的优越性,目前,欧洲和日本等工业化国家铁路工业部门,已基本停止了直流传动电力机车的生产[2 ]. 与斩波器─ 直流电机斩波调压电气传动系统相比,调压调频(vvvf) 逆变器─ 交流电机的系统主电路变得十分简单. 主要由高速断路器、
表1 交流传动机车与直流传动机车的性能比较
少了电阻发热的危害. 现在,以斩波器为核心的直流传动电动车组也逐步让位于以vvvf 为核心的交流传动电动车组,如日本的东京、韩国的汉城、德国的汉堡和法兰克福、美国的波特兰[3 ] 等.
2 我国城市轨道交通传动系统的现状和发展趋势
国内城市轨道交通(除香港外) 发展比较缓慢,除了地铁以外,几乎没有城区和近郊的地面轨道交通. 而地铁交通,目前也只有北京、天津、上海和广州等城市开通运营.
2. 1 供电制式
以北京和天津为代表的北方地区采用dc 750 v 供电电压制式,允许电压波动范围为dc 500 v～dc 900 v , 第三轨受流;以上海和广州为代表的南方地区采用dc 1 500 v 供电电压制式,允许电压波动范围为dc 1 000 v～dc 1 800 v , 架空接触网受电弓受流.
上述两种供电电压制式都是国际电工委员会推荐的,都能满足城市轨道交通供电的要求. 但是,从减少城市轨道交通牵引供电系统的电能损失和电压降,延长供电距离以降低牵引变电站的数量及投资,以及从降低受流接触网的悬挂重量、降低结构复杂性及投资而言,采用dc 1 500 v 的牵引供电电压制式比采用dc 750 v 的牵引供电电压制式显然要经济得多. 高耐压电力电子变流器件的不断发展,如4 500 v 的gto 、3 300 v 的igbt 等,为采用dc 1 500 v 供电的城市轨道交通牵引传动系统提供了可靠的技术保障. 因此,今后我国的城市轨道交通牵引传动系统的供电电压制式的发展趋势应该是逐步采用统一的dc 1 500 v.
2. 2 牵引传动系统
北京的地铁列车采用国产电动车组,牵引控制装置为凸轮调阻和斩波调阻方式,牵引电机为直流电机. 正在新建的复八线(复兴门─ 八王坟) 线长16. 7 km , 预计1999 年10 月1 日通车,牵引控制装置采用gto 元件的vvvf 逆变器,牵引电机为鼠笼式交流电机,主机由日本东洋电机公司制造.
天津的地铁列车采用国产电动车组,牵引控制装置为凸轮调阻器方式,牵引电机为直流电机. 上海的地铁列车采用德国进口的电动车组,牵引控制装置为调压斩波器,牵引电机为直流电机. 正在新建的新线,也将采用vvvf 逆变器的交流传动装置. 广州地铁列车于1997 年6 月投入试运行,全部采用进口电动车组,牵引控制装置为gto 元件的直交vvvf 逆变器,牵引电机为鼠笼式交流电机.
由上可见,我国今后城市轨道交通的牵引传动系统的发展会普遍采用vvvf 逆变器和鼠笼式异步电机的交流传动系统.
3 基于北京地铁的交流传动系统逆变器国产化方案
国产化交流传动系统采用由电压源vvvf 逆变器控制三相交流牵引电机的方式. 该系统主要包括如下设备:主控制器、vvvf 逆变器系统(包括逆变器主电路和控制器) 、高速断路器箱、l2c 滤波器、鼠笼式异步牵引电机、主隔离开关和主熔断器、母线隔离开关和高速熔断器、接地开关箱和接地装置[4 ] 等. 以上这些设备除了vvvf 逆变器外,其它设备国产化比较容易实现,而且不少设备已经在北京地铁列车上使用. 这里着重讨论vvvf 逆变器的国产化方案.
3. 1 vvvf 逆变器结构型式
笔者建议交流传动系统vvvf 逆变器的开关器件选用已商品化的大功率快速开关器件igbt 模块(若市场有供货,也可选用集成了驱动和保护电路的igbt 模块,即ipm 模块). 已商品化的大功率igbt 器件目前有:800 a/1 700 v 、1 200 a/1 700 v 、800 a/2 500 v 、1 200 a/2 500 v 、800 a/3 300 v 、1 200 a/ 3 300v 等. 本方案之所以选用igbt , 而不选用gto , 是因为igbt 与gto 相比有如下优点[5 ] : ① 开关频率较高,提高逆变器输出波形质量,使得噪声水平和电机损耗较低,igbt 的开关频率为1 khz 时,电磁噪声能下降3～4 db ; ② 门控简单,触发能耗较低,只有gto 的1/ 20 ; ③ 吸收电路非常简单,其能耗只有gto 吸收电路的1/ 60 ; ④ 保护系统简化,且短路时可自关断保护; ⑤ 可靠性较高,备品可减少到原gto 备品的1/ 10 ; ⑥ 相同容量装置的重量和尺寸大大减少.
当然,无论选用igbt , 还是选用gto , 这种大容量的开关元器件国内厂家都不能生产,均需要从国外公司进口. 采用igbt 后,由于元器件成本下降,逆变器系统要简化得多,故国产化更易实现.
我国城市轨道交通的供电电压是直流750 v(允许500～900 v 变化) 和直流1 500 v(允许1 000 v～1 800 v 变化),故vvvf 逆变器主电路结构选用电压型二电平三相逆变器结构即可. 对于直流750 v 供电的交流传动vvvf 逆变器,igbt 器件耐压可选1 700 v 或2 500 v ; 对于直流1 500 v 供电的交流传动vvvf 逆变器,igbt 器件耐压可选3 300 v.
3. 2 控制方案
城市轨道交通牵引列车中,交流传动系统常见的逆变器─ 电机控制方案有两种:第一种是1 台逆变器控制4 台电机;第二种是1 台逆变器控制2 台电机. 针对北京复八线地铁列车来说,1 台电机的额定容量为180 kw , 故第一种方案逆变器容量需要1 000 kva 左右,第二种方案逆变器容量需要500 kva 左右即可. 笔者建议采用第二种控制方案,即1 台逆变器控制2 台电机的方案. 理由如下: ① 城市轨道交通车辆一般都是四轴车,第二种方案是1 台逆变器控制一个转向架的2 台电机,与第一种方案1 台逆变器控制两个转向架上4 台电机相比,第二种方案能更充分利用轮轨之间的粘着系数,更有利于列车牵引力的发挥; ② 采用第二种方案,每台逆变器需要从散热器上移走的热量减少一半,这使得散热的处理更加容易; ③ 对于现行的三动三拖六辆编组的列车来说,如果列车上1 台逆变器发生故障,被切除运行,那么对于第一种方案列车的牵引动力将损失1/ 3 , 而对于第二种方案列车的牵引动力只损失1/ 6. 由此可见, 采用第二种方案列车故障时的运行能力优于第一种方案; ④ 现有的igbt 器件电流水平是1 200 a , 采用第一种方案至少需要4 只igbt 并联,采用第二种方案只需两只igbt 并联. ig2 b t 两只并联均流比4 只并联均流更容易些.
3. 3 vvvf 逆变器控制模式
北京地铁列车的最高运行速度是80 km/ h , 平均速度为35～40 km/ h. 其速度控制由逆变器来实现. 牵引电机的转速、直流侧电压、逆变器三相输出电压等检测信号送入逆变器的控制电路中,由逆变器控制器按照运行指令和电机牵引特性的要求计算出电压和频率指令,并转化为pwm 开关信号来控制逆变器的开关器件,从而实现电机(电动车组) 的速度控制. 对于轨道交通牵引来说,逆变器─ 电机系统应该满足下列要求[ 6～8 ] :平稳典型起动、抑制滑行和空转、再生制动、调速范围宽. 为此,电动车组从起动到停车的调速控制模式如下:
(1) 恒转矩牵引控制阶段. 该阶段转差频率(f s) 一定、电压/ 频率( v/ f) 一定, 逆变器输出频率按速度要求逐渐增大, 对逆变器输出电压实行pwm 控制, 可以保持牵引力恒定, 电机电流基本不变. 该阶段对电机零速到基速之间调速适用.
(2) 恒功率牵引控制阶段. 逆变器输出电压达到最大值后保持不变, 使电机的转差频率随逆变器频率增加, 维持电机电流不变, 从而得到恒功率控制. 该阶段电机牵引力随逆变器输出频率的上升成反比减少, 相当于直流电机的弱磁控制. 该阶段从电机基速一直持续到转差频率达到所给定的最大值.
(3) 自然特性牵引控制阶段. 这一阶段逆变器输出电压保持最大值不变, 转差频率也保持最大值不变, 逆变器输出频率随速度要求逐渐增大, 电机电流与频率成反比逐渐减少, 直到最高运行速度. 该阶段电机牵引力与逆变器频率的平方成反比减少, 相当于串激直流电机在最弱磁场下的自然特性.
(4) 再生制动自然特性控制阶段. 这一阶段与控制模式( 3) 的阶段相同, 只是速度变化由高到低. 电机电流随逆变器输出频率的减少成反比增大, 本应持续到下一个阶段, 但由于逆变器容量的限制, 决定了电机电流的上限, 当电机电流达到最大值后将实行恒流控制. 这时制动力矩随逆变器频率的降低成反比例增加, 相当于直流复励电机的电流限制区.
(5) 再生制动恒转矩控制阶段一. 逆变器电压仍保持最大值, 控制时使转差频率的绝对值与逆变器频率的平方成正比, 逆变器频率随着电机的速度逐渐下降. 该阶段电机电流基本上与逆变器频率成反比减少, 使得制动力矩保持恒定.
(6) 再生制动恒转矩控制阶段二. 这一阶段与控制模式( 1) 的阶段相同, 只是速度变化由高到低. 再生制动恒转矩控制可以持续到速度降到5 km/ h , 然后切除电制动, 转换到空气制动, 直到停车. 3. 4 vvvf 逆变器系统主要技术指标
(1) 供电输入电压 额定电压为dc 750 v ; 变化范围为dc 500 v～dc 900 v ; 再生制动时为直流侧电压不高于1 000 v.
(2) 额定容量 2 ×500 kva ; 最大输出容量为2 ×600 kva (牵引时).
(3) 元器件规格 开关器件igb t ─1 700 v/1 200 a , 内含续流二极管.
(4) 控制组合 1 台逆变器控制2 台180 kw 的鼠笼式电机.
(5) 逆变器控制器 采用16 位单片机与数字信号处理器(dsp) 相结合,dsp 实现高速运算,16 位单片机完成pwm 脉冲,达到对逆变器的高速高精度的控制.
(6) 输出电压 幅值为0～550 v 三相交流,频率为1～150 hz , 三相不平衡度为基波电压不超过5 %. (7) 效率 额定工况不低于95 %.
(8) 冷却方式 热管交换热能,走行风自然冷却.
3. 5 牵引电机主要电参数与性能
型式为三相4 极鼠笼式异步电机, 输出功率为180 kw(小时制), 额定电压为550 v , 额定电流为240 a , 额定频率为77 hz , 额定效率> 92 % , 额定功率因数> 0. 85 , 耐压强度:在高温条件下加压ac 3 700 v(50 hz)1 min , 无闪络.
3. 6 vvvf 逆变器系统保护功能
vvvf 逆变器内设监控装置用于故障分析和维修. 逆变器系统具有各项保护功能,其中轻微故障引起的保护动作在系统恢复正常后或主控制器操作回零后自动复位.
(1) 控制电路欠电压保护 控制电路的110 v 电源电压低于72 v 时封锁igb t 脉冲,并切断主电路电压;电压高于77 v 时恢复正常.
(2) 主电路欠电压保护 电压低于450 v , 持续0. 2 s , 切断主电路,封锁igb t 脉冲;电压低于325 v , 切断主电路,封锁igb t 脉冲;电压高于500 v 时恢复正常.
(3) 主电路过电压保护 电压高于1 050 v , 持续1 s , 切断主电路,封锁igb t 脉冲,开放放电电阻;电压高于1 100 v , 切断主电路;电压高于900 v 时恢复正常.
(4) 输出过电流保护 当逆变器输出电流超过设定值后封锁igb t 脉冲;过流消失0. 5 s 后,恢复正常. 若释放脉冲后仍过流,则再次封锁igb t 脉冲,并切断主电路.
(5) 输出缺相保护 三相检测电流整流后,电流波动大于设定值,则封锁igb t 脉冲,切断主电路.
(6) 轮对空转或滑行保护 减少电机输出电流,依照预定曲线实行再粘着控制.
(7) 散热器过热保护 散热器温度超过80 ℃ 时,封锁igb t 脉冲,切断主电路.
(8) igb t 短路保护 一旦igb t 短路,依照短路保护程序,封锁igb t 脉冲,不可恢复.
(9) 电流传感器故障保护 三相电流之和的绝对值大于设定值时,封锁igb t 脉冲,切断主电路.
4 辅助电源系统
辅助电源是给客室照明、客室通风机、司机室空调机、蓄电池组浮充电电源及系统控制设备供电的电源,其容量为40 kw.
该辅助电源由igb t 升降压dc/ dc 变换器(即斩波器) 把直流500～900 v 的电网电压变为直流750 v 的稳定电压,再由igb t 静止逆变器把直流750 v 的电压逆变为380 v 、50 hz 的交流电压,再由工频变压器变压并整流以得到所需的电压. 由于采用igb t 作为开关器件, 故在dc/ dc 变换器结构上毋需二重化,交流输出端也不需交流滤波器.
(1) 输出电压及容量 三相交流负载为电压380 ×(1 ±0105) ,频率(50 ±1) hz ,24 kw ; 直流负载一为电压110 ×(1 ±0101) ,15 kw ; 直流负载二为电压24 ×(1 ±0101) 1
(2) 逆变器效率 > 90 %1
(3) 逆变器过载能力 150 % 过载,10 s 后自动停机; 200 % 过载,立即停机1
(4) 使用温度 -20 ℃～ + 40 ℃1
(5) 保护功能 静止逆变器与vvvf 逆变器相同. dc/ dc 变换器输出电压大于800 v 时,停机保护.
5 交流传动系统逆变器国产化的可能性
对于城市轨道交通列车所需的交流传动vvvf 逆变器、辅助电源的dc/ dc 变换器(即斩波器) 和静止逆变器的研制与产品化,从目前的技术水平看,我国完全能够自力更生来实现. 我国铁路系统于1996 年研制成功了ac 4000 型交流传动电力机车原型车. 目前正在开展200 km/ h 交流传动高速动车组研制.
笔者提出了基于北京地铁的轨道交通交流传动逆变器系统的国产化方案,认为采用1 700 v 电压等级的igb t 构成二电平vvvf 逆变器用于直流750 v 供电的交流传动系统是合适的,也是可行的. 对于辅助电源,我国已有在8 k 电力机车上成功应用的经验,可供轨道交通列车辅助电源设计的参考.
参考文献
1 柏华. 基于双微机结构的异步牵引电机直接力矩控制系统的研制: [ 学位论文] . 北京:铁道科学研究院机车车辆研究所, 1998.
2 铁道科学研究院机车车辆研究所. 城市轨道交通列车国产化论证报告. 北京:铁道科学研究院机车车辆研究所,1998.
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5 三菱电机株式会社. 交流电机传动控制技术交流会资料. 1996.
6 郑树选主编. 8 k 型电力机车. 北京:中国铁道出版社,1994.
